W porównaniu z półprzewodnikami mocy na bazie krzemu, półprzewodniki mocy SiC (węglik krzemu) mają znaczne zalety w zakresie częstotliwości przełączania, strat, rozpraszania ciepła, miniaturyzacji itp.
Wraz z produkcją na dużą skalę falowników z węglika krzemu przez Teslę, więcej firm zaczęło również dostarczać produkty z węglika krzemu.
SiC jest taki „niesamowity”. Jak, u licha, został wykonany?Jakie są teraz zastosowania?Zobaczmy!
01 ☆ Narodziny SiC
Podobnie jak inne półprzewodniki mocy, łańcuch przemysłowy SiC-MOSFET obejmujedługi kryształ – podłoże – epitaksja – projekt – produkcja – opakowanie.
Długi kryształ
Podczas długiego połączenia krystalicznego, w przeciwieństwie do metody Tira stosowanej w przypadku krzemu monokrystalicznego, w węgliku krzemu stosuje się głównie metodę fizycznego transportu gazu (PVT, znaną również jako ulepszona metoda sublimacji Lly lub kryształu zarodkowego), metodę chemicznego osadzania gazu w wysokiej temperaturze (HTCVD ) suplementy.
☆ Podstawowy krok
1. Stały surowiec węglowy;
2. Po podgrzaniu węglik staje się gazem;
3. Gaz przemieszcza się na powierzchnię kryształu zaszczepiającego;
4. Gaz na powierzchni kryształu zaszczepiającego rośnie w kryształ.
Źródło zdjęcia: „Punkt techniczny dotyczący demontażu węglika krzemu PVT”
Odmienne wykonanie spowodowało dwie główne wady w porównaniu z bazą silikonową:
Po pierwsze, produkcja jest trudna, a plony niskie.Temperatura fazy gazowej na bazie węgla wzrasta powyżej 2300°C, a ciśnienie wynosi 350 MPa.Wykonuje się całe ciemne pudełko i łatwo je wymieszać z zanieczyszczeniami.Wydajność jest niższa niż w przypadku bazy krzemowej.Im większa średnica, tym niższa wydajność.
Drugi to powolny wzrost.Zarządzanie metodą PVT jest bardzo powolne, prędkość wynosi około 0,3-0,5 mm/h i może urosnąć o 2 cm w ciągu 7 dni.Maksymalnie może urosnąć tylko 3-5 cm, a średnica wlewka kryształu wynosi przeważnie 4 cale i 6 cali.
Bazująca na krzemie odmiana 72H może urosnąć do wysokości 2-3 m, przy średnicy przeważnie 6 cali i 8 cali. Nowa zdolność produkcyjna wynosi 12 cali.Dlatego węglik krzemu nazywany jest często sztabką kryształu, a krzem staje się kryształową sztyftem.
Wlewki z kryształów węglika krzemu
Podłoże
Po skompletowaniu długiego kryształu wchodzi on do procesu produkcyjnego podłoża.
Po ukierunkowanym cięciu, szlifowaniu (szlifowanie zgrubne, szlifowanie dokładne), polerowaniu (polerowanie mechaniczne), polerowaniu ultraprecyzyjnym (polerowanie chemiczne i mechaniczne) otrzymuje się podłoże z węglika krzemu.
Podłoże gra głównierola wsparcia fizycznego, przewodność cieplna i przewodność cieplna.Trudność w przetwarzaniu polega na tym, że materiał z węglika krzemu jest wysoki, chrupiący i stabilny pod względem właściwości chemicznych.Dlatego tradycyjne metody przetwarzania na bazie krzemu nie są odpowiednie dla podłoża z węglika krzemu.
Jakość efektu cięcia bezpośrednio wpływa na wydajność i efektywność wykorzystania (koszt) produktów z węglika krzemu, dlatego wymagana jest mała, jednolita grubość i niskie cięcie.
Obecnie,4-calowe i 6-calowe wykorzystują głównie wieloliniowy sprzęt do cięcia,cięcie kryształów krzemu na cienkie plasterki o grubości nie większej niż 1 mm.
Wieloliniowy schemat cięcia
W przyszłości, wraz ze wzrostem wielkości karbonizowanych płytek krzemowych, wzrosną wymagania dotyczące wykorzystania materiału, a także stopniowo będą stosowane technologie takie jak cięcie laserowe i separacja na zimno.
W 2018 roku Infineon przejął firmę Siltectra GmbH, która opracowała innowacyjny proces znany jako kraking na zimno.
W porównaniu z tradycyjnym stratą procesu cięcia wielodrutowego wynoszącą 1/4,w procesie krakingu na zimno stracono jedynie 1/8 materiału węglika krzemu.
Rozszerzenie
Ponieważ materiał z węglika krzemu nie może wytwarzać urządzeń zasilających bezpośrednio na podłożu, na warstwie rozszerzającej wymagane są różne urządzenia.
Dlatego po zakończeniu produkcji podłoża na podłożu w procesie wydłużania hoduje się określoną cienką warstwę monokryształu.
Obecnie stosowana jest głównie metoda chemicznego osadzania gazu (CVD).
Projekt
Po wykonaniu podłoża wchodzi ono w etap projektowania produktu.
W przypadku MOSFET-u głównym celem procesu projektowania jest zaprojektowanie rowka,z jednej strony, aby uniknąć naruszenia patentu(Infineon, Rohm, ST itp. mają układ patentowy), a z drugiej stronyspełniają wymagania produkcyjne i koszty produkcji.
Produkcja wafli
Po zakończeniu projektowania produktu wchodzi on w etap produkcji płytek,a proces jest z grubsza podobny do procesu krzemu, który składa się głównie z następujących 5 etapów.
☆Krok 1: Wstrzyknij maskę
Wykonuje się warstwę warstwy tlenku krzemu (SiO2), powleka się fotomaskę, formuje się wzór fotorezystu w etapach homogenizacji, naświetlania, wywoływania itp., a figura jest przenoszona na warstwę tlenku w procesie trawienia.
☆Krok 2: Implantacja jonów
Zamaskowaną płytkę z węglika krzemu umieszcza się w implanterze jonów, do którego wtryskiwane są jony glinu w celu utworzenia strefy domieszkowanej typu P, a następnie wyżarza się w celu aktywacji wszczepionych jonów glinu.
Warstwa tlenkowa jest usuwana, jony azotu są wtryskiwane do określonego obszaru obszaru domieszkowanego typu P w celu utworzenia obszaru przewodzącego typu N drenu i źródła, a wszczepione jony azotu są wyżarzane w celu ich aktywacji.
☆Krok 3: Zrób siatkę
Zrób siatkę.W obszarze pomiędzy źródłem a drenem warstwa tlenku bramki jest przygotowywana w procesie utleniania w wysokiej temperaturze, a warstwa elektrody bramki jest osadzana w celu utworzenia struktury sterującej bramką.
☆Krok 4: Wykonanie warstw pasywacyjnych
Wykonana jest warstwa pasywacyjna.Nałożyć warstwę pasywacyjną o dobrych właściwościach izolacyjnych, aby zapobiec uszkodzeniu elektrod.
☆Krok 5: Wykonaj elektrody dren-źródło
Zrób dren i źródło.Warstwa pasywacyjna jest perforowana, a metal jest napylany, tworząc dren i źródło.
Źródło zdjęcia: Stolica Xinxi
Chociaż istnieje niewielka różnica między poziomem procesu a poziomem procesu opartym na krzemie, ze względu na właściwości materiałów z węglika krzemu,Implantacja jonów i wyżarzanie muszą być przeprowadzane w środowisku o wysokiej temperaturze(do 1600 ° C), wysoka temperatura wpłynie na strukturę sieciową samego materiału, a trudność wpłynie również na wydajność.
Ponadto w przypadku komponentów MOSFETjakość tlenu bramki wpływa bezpośrednio na ruchliwość kanału i niezawodność bramki, ponieważ w materiale z węglika krzemu występują dwa rodzaje atomów krzemu i węgla.
Dlatego wymagana jest specjalna metoda wzrostu ośrodka bramkowego (kolejną kwestią jest to, że arkusz węglika krzemu jest przezroczysty, a wyrównanie pozycji na etapie fotolitografii jest trudne w przypadku krzemu).
Po zakończeniu produkcji płytki pojedynczy chip jest cięty na goły chip i może być pakowany zgodnie z przeznaczeniem.Typowym procesem dla dyskretnych urządzeń jest pakiet TO.
Tranzystory MOSFET CoolSiC™ 650 V w obudowie TO-247
Zdjęcie: Infineon
Branża motoryzacyjna ma duże wymagania dotyczące mocy i odprowadzania ciepła, a czasami konieczne jest bezpośrednie zbudowanie obwodów mostkowych (półmostek lub pełny mostek lub bezpośrednio z diodami).
Dlatego często jest pakowany bezpośrednio w moduły lub systemy.W zależności od liczby chipów zapakowanych w pojedynczy moduł, powszechną formą jest 1 w 1 (BorgWarner), 6 w 1 (Infineon) itp., A niektóre firmy stosują schemat równoległy z pojedynczą lampą.
Borgwarner Viper
Obsługuje dwustronne chłodzenie wodą i SiC-MOSFET
Moduły MOSFET Infineon CoolSiC™
W odróżnieniu od krzemumoduły z węglika krzemu pracują w wyższej temperaturze, około 200°C.
Tradycyjna temperatura topnienia lutu miękkiego jest niska i nie spełnia wymagań temperaturowych.Dlatego w modułach z węglika krzemu często stosuje się proces spawania niskotemperaturowego spiekania srebra.
Po ukończeniu modułu można go zastosować w systemie części.
Sterownik silnika Tesla Model3
Goły chip pochodzi z ST, samodzielnie opracowanego pakietu i elektrycznego układu napędowego
☆02 Status zastosowania SiC?
W branży motoryzacyjnej urządzenia zasilające są stosowane głównie wDCDC, OBC, falowniki silnikowe, falowniki klimatyzacji elektrycznej, ładowanie bezprzewodowe i inne częściktóre wymagają szybkiej konwersji AC/DC (DCDC działa głównie jako szybki przełącznik).
Zdjęcie: BorgWarner
W porównaniu z materiałami na bazie krzemu, materiały SIC mają wyższąkrytyczne natężenie pola załamania lawinowego(3×106V/cm),lepszą przewodność cieplną(49W/mK) iszersza przerwa wzbroniona(3,26 eV).
Im szersza przerwa wzbroniona, tym mniejszy prąd upływu i wyższa wydajność.Im lepsza przewodność cieplna, tym większa gęstość prądu.Im silniejsze jest krytyczne pole przebicia lawinowego, tym można poprawić odporność napięciową urządzenia.
Dlatego w dziedzinie pokładowych układów wysokiego napięcia tranzystory MOSFET i SBD przygotowane z materiałów z węglika krzemu w celu zastąpienia istniejącej kombinacji IGBT i FRD na bazie krzemu mogą skutecznie poprawić moc i wydajność,szczególnie w scenariuszach zastosowań o wysokiej częstotliwości, aby zmniejszyć straty przełączania.
Obecnie najprawdopodobniej znajdzie zastosowanie na dużą skalę w falownikach silnikowych, a następnie w OBC i DCDC.
Platforma napięciowa 800V
W platformie napięcia 800 V przewaga wysokiej częstotliwości sprawia, że przedsiębiorstwa są bardziej skłonne do wyboru rozwiązania SiC-MOSFET.Dlatego większość obecnych układów sterowania elektronicznego 800 V planuje SiC-MOSFET.
Planowanie na poziomie platformy obejmujenowoczesne E-GMP, GM Otenergy – pole odbioru, Porsche PPE i Tesla EPA.Z wyjątkiem modeli platform Porsche PPE, które nie są bezpośrednio wyposażone w SiC-MOSFET (pierwszy model to IGBT na bazie krzemionki), inne platformy pojazdów wykorzystują schematy SiC-MOSFET.
Uniwersalna platforma energetyczna Ultra
Planowanie modeli 800 V to więcej,marka Great Wall Salon Jiagirong, słup Beiqi Fox S wersja HI, idealny samochód S01 i W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 powiedział, że będzie obsługiwać platformę 800 V, oprócz BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen stwierdził również, że technologia 800 V jest w badaniach.
Z sytuacji zamówień na napięcie 800V uzyskanych od dostawców Tier1,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics i Huichuanwszystkie ogłoszone zamówienia na napędy elektryczne 800V.
Platforma napięciowa 400V
W platformie napięcia 400 V SiC-MOSFET uwzględnia głównie wysoką moc i gęstość mocy oraz wysoką wydajność.
Podobnie jak silnik Tesla Model 3\Y, który jest obecnie produkowany masowo, moc szczytowa silnika BYD Hanhou wynosi około 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW), NIO będzie również wykorzystywać produkty SiC-MOSFET, począwszy od ET7 oraz ET5, które zostaną wymienione później.Moc szczytowa wynosi 240 kW (ET5 210 kW).
Ponadto, z punktu widzenia wysokiej wydajności, niektóre przedsiębiorstwa badają również wykonalność pomocniczego zalewania produktów SiC-MOSFET.
Czas publikacji: 8 lipca 2023 r